Nemcsak igazolták Einstein utolsó jóslatát, hanem most már egyértelműen új ága született a fizikának: 2015 szeptemberében és decemberében is találtak gravitációs hullámokat, a detektorok innentől átállnak felfedezésről új csillagászatra. A GW151226 jelű gravitációs hullám nagy meglepetést nem hozott, mégis történelmi jelentőségű ez a felfedezés is. A mostani munkában is részt vettek magyarok, sőt, átszervezik a LIGO-együttműködésben közösen dolgozó több mint ezer tudóst is, és az átszervezésért felelős testületnek tagja Frei Zsolt, magyar fizikus is.
2015. december 26-án, karácsony másnapján, magyar idő szerint reggel 04:38:53-kor a LIGO gravitációshullám-detektorok másodszor is észleltek gravitációs hullámokat. A jel hivatalos neve GW151226, de gyakran hivatkoznak rá Boxing Day-esemény néven is, ami karácsony másnapjának hagyományos angol elnevezésére utal. A felfedezést a több mint ezer kutatót magába foglaló LIGO Tudományos Együttműködés (LSC), és a Virgo Együttműködés közösen jegyzi.
A mostani felfedezést bemutató szakcikket a Physical Review Letters című szaklap múlt héten elfogadta. Az előző felfedezést még 2016. február 11-én jelentették be, valójában pedig 2015. szeptember 14-én történt. Az előző és a mostani gravitációs hullámokat is az úgynevezett O1 észlelési időszakban észlelték, ez 2015. szeptember 12-től 2016. január 19-ig tartott.
A gravitációs hullámok a téridő hullámszerű megnyúlásai és összehúzódásai, megfigyelésük azért fontos, mert így sokkal többet tudhatunk meg a világegyetemről, a szemünk mellé most már kaptunk egy fület is, olyan űrbéli objektumokról is megtudhatunk mindenféle tulajdonságokat, amikről eddigi eszközeinkkel egyszerűen nem lehetett információt szerezni. Például fekete lyukakról.
Arról, hogy mik a gravitációs hullámok, mi egyáltalán a téridő, és hogyan kell elképzelni azt, hogy fodrozódik, ebben a cikkünkben írtunk részletesen. Ha csak öt perce van megérteni az egész témakört, akkor ezt a magyar feliratos videóval kiegészített cikkünket ajánljuk. A magyar kutatókkal interjút is készítettünk, ezt itt olvashatja.
A gravitációs hullámokat a Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) mindkét detektora észlelte, mindkettő az USA-ban van, az egyik Livingstonban (Louisiana állam), a másik Hanfordban (Washington állam). Arról, hogy pontosan hogy működnek a detektorok, szintén előző cikkünkben írtunk: a lényeg, hogy tükörre vetített lézerek nagyon apró torzulását is pontosan tudják mérni. Amikor a lézersugarakon áthaladnak a gravitációs hullámok, torzítják azokat, ebből tudjuk, ha találtunk valamit.
A decemberben felfedezett, most publikált a gravitációs hullámok két, egy a Napunknál 14-szer és egy 8-szor nehezebb fekete lyuk 1,4 milliárd évvel ezelőtti összeolvadásának utolsó pillanataiban keletkeztek, amikor azok egyetlen forgó fekete lyukká egyesültek, amely a Napunknál összesen 21-szer nehezebb: 14+8 = 22, de egy naptömegnyi anyag gravitációs hullámként, energia formájában távozott. Az észlelt jel a fekete lyukak összeolvadás előtti körpályájának utolsó 27 periódusából származik, azaz ennyit köröztek még egymás körül (pontosabban ennyit láttunk belőle), mielőtt összeolvadtak. A most észlelt hullámforma is összhangban van Einstein általános relativitáselméletének jóslatával.
A jelek beérkezési idejei eltérőek a két detektorban: a livingstoni az eseményt 1,1 ezredmásodperccel előbb rögzítette, mint a hanfordi, ebből valamennyire már számolható a forrás pozíciója, de csak hozzávetőlegesen. Ugyanez volt a helyzet az első gravitációs hullámnál is: csak igen nagy területre sikerült belőni a forrást.
Először 3 percen belül egy 1400 négyzetfokos égterületet sikerült beazonosítani, majd pontosítások után később ezt egy 850 négyzetfokos területre csökkentették. Az első felfedezéshez rekonstruált égterület 600 négyzetfok területű volt. Az ELTE LIGO tagcsoportja készítette azt a galaxiskatalógust, amivel pontosították a forrást.
Ha sikerül majd pontosan beazonosítani a forrásokat, akkor oda lehet irányítani az összes többi csillagászati eszközünket is, például röntgenteleszkópokat, és ezek észlelhetik a gravitációs hullámok keletkezésekor létre jött egyéb jeleket, például röntgensugárzást is. Ehhez viszont háromszögelés, ahhoz pedig még egy detektor kell majd. A harmadik, az olaszországi VIRGO-detektor bekapcsolása a következő, szeptemberben kezdődő hat hónapos észlelési időszak második felében várható.
EGRG
Az Eötvös Gravity Research Group (EGRG), amely a budapesti Eötvös Loránd Tudományegyetem és a debreceni MTA Atommagkutató Intézet összefogásában működik, 2007 óta az LSC tagja. Az EGRG készítette azt a galaxiskatalógust, amelyet az LSC az észlelt jelek forrásgalaxisainak azonosításához használ. Az EGRG tagjai segítik a jövőben építeni tervezett detektorok (köztük a tervek szerint Indiában épülő LIGO detektor) optimális elhelyezésének megtalálását.
A csoport az LSC valamennyi tevékenységéhez hozzájárul: műszerépítéssel segítette a LIGO detektorok zajszintcsökkentését; a csoporttagok műszak- és riasztási felügyeletet látnak el a LIGO detektorok adatgyűjtési időszakai alatt, mind a detektorállomásokon, mind a távolból; forrásmodellező munkájukkal és jelkeresőprogram fejlesztésével a gravitációshullám-jelek észlelési és kiértékelési hatékonyságát maximalizálják.
A csoport vezetője Dr. Frei Zsolt, az ELTE tanszékvezető professzora, az MTA-ELTE Lendület asztrofizikai kutatócsoport vezetője. Az EGRG adatelemző munkáit Dr. Raffai Péter, az ELTE adjunktusa vezeti.
SZTE
A Szegedi Tudományegyetemen a gravitációs hullámok kutatását Dr. Gergely Árpád László egyetemi tanár honosította meg 2000-ben a feketelyuk-kettősök dinamikájának és gravitációs sugárzásának elméleti vizsgálatával, különös tekintettel a fekete lyukak forgásából származó effektusokra. A LIGO Tudományos Együttműködésnek 2009 óta tagja, először az ELTE csoport külső tagjaként, majd 2014-től önálló SZTE csoport vezetőjeként. Tanítványaival a nem egyenlő tömegű fekete lyukak összeolvadásakor keletkező gravitációs hullámokat tanulmányozzák. Generálásukra kidolgoztak egy új hullámformát, amit a gravitációshullám-kereséshez használt nemzetközi szoftverbe implementálnak.
Wigner
Az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Gravitációfizikai Kutatócsoportja a Virgo együttműködésben vesz részt. A kutatócsoport 2010-ben csatlakozott az együttműködéshez, és célja az egymás körül keringő nagy tömegű kettős objektumok teljes összeolvadása során keletkező gravitációs hullámok vizsgálata. A csoport tagjai Dr. Vasúth Mátyás tudományos főmunkatárs vezetésével számítástechnikai eljárások, algoritmusok, valamint hullámforma-jóslatok fejlesztésével járulnak hozzá a megfigyelésekhez. Részt vesznek továbbá a detektorok mérési adatainak kiértékelésében, amihez a Wigner Adatközpontban üzemeltetett Wigner felhő is rendelkezésre áll.
A gravitációs hullámok első észlelése mérföldkő volt a fizikában és a csillagászatban: megerősítette Albert Einstein 1915-ös általános relativitáselméletének utolsó jóslatát, és a gravitációshullám-csillagászat, mint új terület kezdetét jelezte.
Albert Lazzarini, a Caltech professzora, a LIGO Laboratórium igazgatóhelyettese szerint második felfedezés valódi értelmet adott az O betűnek a LIGO mint obszervatórium nevében, mert az első adatgyűjtés négy hónapja alatt két erős észlelés alapján nagyon valószínű, hogy innentől gyakoriak lesznek az észlelések.
Raffai Péter, az ELTE fizikusa, Eötvös Gravity Research Group tagja szerint a legfontosabb tanulság, hogy a technológia működik és asztrofizikában használható. „Most, hogy már több észlelésünk van, van hat olyan fekete lyukunk, aminek a tömegét és a forgását, pörgését is vizsgálni tudjuk, azaz fekete lyukak a valódi tulajdonságait is vizsgálni tudjuk” – mondja Raffai.
„Nem azért építettük a detektorokat, hogy egy jelet észleljünk, és Einstein-jóslatát kipipáljuk, hanem obszervatóriumi jelleggel, rendszeres mérésekkel, asztrofizikai megfigyelőberendezésként használhassuk a gravitációshullám-detektorokat, és újfajta asztrofizikát csinálhassunk velük” – mondja Frei Zsolt, az ELTE tanszékvezető professzora, az MTA-ELTE Lendület asztrofizikai kutatócsoport vezetője.
„Február 11-én, amikor az első sajtótájékoztatót megtartottuk, és felmerültek a kérdés, hogy jött-e azóta, akkor nem válaszolhattam erre, mert még nem ért véget az elemzés. De ekkor már tudtam, hogy van decemberi jel, csak nem beszélhettem róla, mert a múlt héten fogadták el az erről szóló cikket” – mondja Frei.
Fontos az is, hogy ezek a fekete lyukak kisebb tömegűek voltak, mint az előzőek, ezért összeolvadásukat tovább (egy másodpercig) észlelték a detektorok. Minden újabb észlelés segít majd a világegyetem fekete lyukainak feltérképezésében.
A GW151226 észlelésekor (a második felfedezett gravitációs hullám) két olyan tömegű fekete lyuk összeolvadását figyelték meg, amelyek létezését már korábban sejtették röntgencsillagászati megfigyelések alapján, ezek az úgynevezett röntgenkettősök. Az elsőnek észlelt, GW150914 jelű gravitációs hullám forrása két olyan, nagy tömegű fekete lyuk volt, amilyet korábban még nem láttak a csillagászok, asztrofizikusok.
A mostani észlelést a fekete lyukak kisebb tömege miatt hosszabb ideig, egy másodpercig tudták megfigyelni a kutatók, míg az előzőt csak két tizedmásodpercig. Ez azért van, mert a mostani jel hosszabb ideig volt a detektorok legérzékenyebb frekvenciasávjában.
Ebből következik az is, hogy a mostani fekete lyukaknál, bár szintén kettő összeolvadásáról volt szó, a kettős rendszer fejlődésének három fázisa közül jelen esetben az első, úgynevezett bespirálozás volt a legpontosabban megfigyelhető, míg a második, az összeolvadás és a harmadik, úgynevezett lecsengés kevésbé. Az első felfedezésnél az összeolvadás és lecsengés volt a legerősebb. A detektorok 100 Hz és 300 Hz között a legérzékenyebbek, és míg az első jelnél már 250 Hz-nél összeolvadtak a fekete lyukak, addig a mostani észlelt jel már 450 Hz frekvenciájú volt az összeolvadáskor, ahol már kevésbé érzékenyek a detektorok.
Bár a hivatalosan kiadott anyagok két észlelésről beszélnek, az egyik a tavaly szeptember 14-i, a második pedig a mostani, karácsony másnapján történt, valójában volt egy kevésbé hangsúlyos harmadik jel is még az első észlelés idején (október 12-én) – amit mi meg is írtunk –: ennek a hullámformája szintén két fekete lyuk összeolvadása, viszont nem volt annyira erős a jel a háttérzajhoz képest, mint a másik kettőé, ezért csak annyit állítanak, hogy valószínűbb, hogy ez is asztrofizikai jel, de nem egyértelmű.
„A mostani jelek ezért hivatalos nevükön GW, gravitational wave előtagot kaptak, az októberi csak LVT-t, azaz (a LIGO-VIRGO Kollaboráció nevéből) LIGO-VIRGO Trigger, LIGO-VIRGO esemény, de valójában a számolásokhoz ezt is használják. Így a 4 hónapos, első adatgyűjtési időszak alatt három jelet azonosítottak” – tudtuk meg Raffai Pétertől, az ELTE fizikusától.
Raffai szerint a közeljövőben még több eredmény várható. Az első adatgyűjtési időszakban 4 hónapnyi adatot dolgoztak fel, de a gravitációs hullámok jeleit többféle algoritmussal keresik, a mostani eredmények viszont csak néhány jeltípusnak lefuttatott eredmények: bespirálozó kettősökre.
„Vannak más, futó algoritmusok, ezeknél még várható eredmények közlése. Amikor összegyűjtünk adatokat, akkor nemcsak egy adott jeltípust keresünk, hanem sokféle jelet, a feldolgozás pedig most is zajlik” – mondja a fizikus.
Várhatóan ősztől beindul a második adatgyűjtő időszak. Ez egy hat hónapos időszak lesz, addig finomhangolják a detektorokat, ezért növekszik az érzékenységük, másfél-kétszeresére. A legfontosabb esemény a már korábban említett olaszországi VIRGO detektor hat hónapos időszak második felében történő bekapcsolása lesz, már három detektor gyűjt adatokat, azaz ki tudják háromszögelni, hogy a forrás hol helyezkedett el az égen. Most az ELTE-s csoport is erre koncentrál: neutroncsillagok összeolvadásából származó gravitációs hullámok úgynevezett utófényének, elektromágneses jelének megtalálását segítik.
A LIGO-tól várható következő nagy felfedezés a neutroncsillag-összeolvadásból származó gravitációshullám-jel és az utólagos fényegyüttes megtalálása. Ez már úgynevezett többcsatornás csillagászat. Így adott forrásról sokkal többet lehet megtudni, ezzel pedig tényleges új korszakba lépünk az asztrofizikában.